[发明专利]具有仿生结构的复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生制造领域，具体而言，涉及一种具有仿生结构的复合材料及其制备方法。

背景技术

复合材料由于具有良好的综合性能、比重小等特点被广泛的应用于航空航天、汽车、人造生物组织以及高级体育用品等方面。近些年，随着科技水平的不断上升，各个行业对复合材料的需求量越来越大，同时所需求的复合材料制件也向着大型化、复杂化的方向发展。这就要求复合材料在制备过程中除了克服复合材料受力容易分层的问题外，孔隙率高、干纤维较多等浸渍不完全的问题也有待改善。

三维编织方法的出现解决了传统复合材料承受外界冲击时会产生分层的问题，但是三维编织复合材料预制体在随后浸渍树脂过程中，仍然会有浸渍不完全的缺陷。三维编织预制体由于纤维之间接触紧密，整体力学性能上提升，但是正是由于纤维之间紧密的结合，在浸渍过程中树脂难以完全浸透预制体，纤维束之间容易出现孔隙，浸渍后复合材料仍会由于存在孔隙、干纤维等缺陷而降低其力学性能，因此对于成型工艺和浸渍设备等要求都比较高。尝试在复合材料的编织预制体结构上加以改进，即在现有的先进的成型工艺的条件下，通过改进预制体的空间结构，提高自身对树脂等基体材料的浸润能力，这样在解决孔隙率和干纤维等问题的同时，还能有效的提高浸渍速率，并且解决了对现有成型设备要求严苛的问题，从而节省了复合材料生产成本，减少了生产能耗。

发明内容

本发明旨在提供一种具有仿生结构的复合材料及其制备方法，以解决现有技术中复合材料预制体浸渍不完全的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有仿生结构的复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤：1)基于建模得到的丝瓜络结构模型构建导向装置并确定纤维缠绕顺序；2)在导向装置上按照所确定的纤维缠绕顺序进行纤维的缠绕，得到仿生丝瓜络结构作为复合材料预制体；3)将仿生丝瓜络结构与基体结合形成复合材料。

进一步地，导向装置包括：导向模板，导向套群，包括多根导向套，导向套固定设置在导向模板上，导向套上根据仿生丝瓜络结构模型中的节点位置设置凹槽，用于嵌合纤维。

进一步地，导向套的材料为碳纤维或金属；纤维的材料为碳纤维、芳纶纤维、或金属丝。

进一步地，基体为聚合物或金属，其中，聚合物包括环氧树脂、酚醛树脂、氨基树脂、不饱和聚酯。

根据本发明的另一个发明，提供一种具有仿生结构的复合材料。该复合材料包括：按照仿生丝瓜络结构模型获得的仿生丝瓜络结构，以及基体，填充在仿生丝瓜络结构中。

进一步地，仿生丝瓜络结构包括：导向套群，由多根导向套构成；纤维，按照根据仿生丝瓜络结构模型确定的纤维缠绕顺序缠绕在导向套群上。

进一步地，导向套上设置有用于嵌合纤维的凹槽。

进一步地，仿生丝瓜络结构包括多个结构单元，每个结构单元包括横向纤维层和与横向纤维层交叉设置的导向套群。

进一步地，横向纤维层内的纤维与每个导向套群中的各导向套的节点均不在同一个平面内。

应用本发明的具有仿生结构的复合材料的制备方法，可以模拟构建一种具有仿生丝瓜络结构的复合材料，而这种仿生丝瓜络结构使得复合材料具备较高的拉伸、压缩和弯曲强度，并且有效的解决了传统复合材料预制体存在的浸渍不完全的技术问题。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的主视结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的主视结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的纤维编织路径示意图；

图4示出了根据本发明实施例的复合材料的仿生丝瓜络结构的结构单元的俯视结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。